Принципы адресации основной памяти компьютера

Обновлено: 07.07.2024

Главная задача компьютерной системы – выполнять программы. Программы вместе с данными, к которым они имеют доступ , в процессе выполнения должны (по крайней мере частично) находиться в оперативной памяти . Операционной системе приходится решать задачу распределения памяти между пользовательскими процессами и компонентами ОС. Эта деятельность называется управлением памятью. Таким образом, память ( storage , memory ) является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления. В недавнем прошлом память была самым дорогим ресурсом.

Часть ОС, которая отвечает за управление памятью , называется менеджером памяти.

Физическая организация памяти компьютера

Запоминающие устройства компьютера разделяют, как минимум, на два уровня: основную (главную, оперативную , физическую ) и вторичную (внешнюю) память.

Основная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Процессор извлекает команду из основной памяти , декодирует и выполняет ее. Для выполнения команды могут потребоваться обращения еще к нескольким ячейкам основной памяти . Обычно основная память изготавливается с применением полупроводниковых технологий и теряет свое содержимое при отключении питания.

Вторичную память (это главным образом диски) также можно рассматривать как одномерное линейное адресное пространство , состоящее из последовательности байтов. В отличие от оперативной памяти , она является энергонезависимой, имеет существенно большую емкость и используется в качестве расширения основной памяти .

Эту схему можно дополнить еще несколькими промежуточными уровнями, как показано на рис. 8.1. Разновидности памяти могут быть объединены в иерархию по убыванию времени доступа, возрастанию цены и увеличению емкости.

Многоуровневую схему используют следующим образом. Информация, которая находится в памяти верхнего уровня, обычно хранится также на уровнях с большими номерами. Если процессор не обнаруживает нужную информацию на i-м уровне, он начинает искать ее на следующих уровнях. Когда нужная информация найдена, она переносится в более быстрые уровни.

Локальность

Оказывается, при таком способе организации по мере снижения скорости доступа к уровню памяти снижается также и частота обращений к нему.

Ключевую роль здесь играет свойство реальных программ, в течение ограниченного отрезка времени способных работать с небольшим набором адресов памяти. Это эмпирически наблюдаемое свойство известно как принцип локальности или локализации обращений.

Свойство локальности (соседние в пространстве и времени объекты характеризуются похожими свойствами) присуще не только функционированию ОС, но и природе вообще. В случае ОС свойство локальности объяснимо, если учесть, как пишутся программы и как хранятся данные, то есть обычно в течение какого-то отрезка времени ограниченный фрагмент кода работает с ограниченным набором данных. Эту часть кода и данных удается разместить в памяти с быстрым доступом. В результате реальное время доступа к памяти определяется временем доступа к верхним уровням, что и обусловливает эффективность использования иерархической схемы. Надо сказать, что описываемая организация вычислительной системы во многом имитирует деятельность человеческого мозга при переработке информации. Действительно, решая конкретную проблему, человек работает с небольшим объемом информации, храня не относящиеся к делу сведения в своей памяти или во внешней памяти (например, в книгах).

Кэш процессора обычно является частью аппаратуры, поэтому менеджер памяти ОС занимается распределением информации главным образом в основной и внешней памяти компьютера. В некоторых схемах потоки между оперативной и внешней памятью регулируются программистом (см. например, далее оверлейные структуры ), однако это связано с затратами времени программиста, так что подобную деятельность стараются возложить на ОС.

Адреса в основной памяти , характеризующие реальное расположение данных в физической памяти , называются физическими адресами. Набор физических адресов, с которым работает программа, называют физическим адресным пространством .

Логическая память

Аппаратная организация памяти в виде линейного набора ячеек не соответствует представлениям программиста о том, как организовано хранение программ и данных. Большинство программ представляет собой набор модулей, созданных независимо друг от друга. Иногда все модули, входящие в состав процесса, располагаются в памяти один за другим, образуя линейное пространство адресов. Однако чаще модули помещаются в разные области памяти и используются по-разному.

Схема управления памятью, поддерживающая этот взгляд пользователя на то, как хранятся программы и данные, называется сегментацией. Сегмент – область памяти определенного назначения, внутри которой поддерживается линейная адресация. Сегменты содержат процедуры, массивы, стек или скалярные величины , но обычно не содержат информацию смешанного типа.

По-видимому, вначале сегменты памяти появились в связи с необходимостью обобществления процессами фрагментов программного кода (текстовый редактор, тригонометрические библиотеки и т. д.), без чего каждый процесс должен был хранить в своем адресном пространстве дублирующую информацию. Эти отдельные участки памяти, хранящие информацию, которую система отображает в память нескольких процессов, получили название сегментов . Память, таким образом, перестала быть линейной и превратилась в двумерную. Адрес состоит из двух компонентов: номер сегмента , смещение внутри сегмента . Далее оказалось удобным размещать в разных сегментах различные компоненты процесса (код программы, данные, стек и т. д.). Попутно выяснилось, что можно контролировать характер работы с конкретным сегментом , приписав ему атрибуты, например права доступа или типы операций, которые разрешается производить с данными, хранящимися в сегменте .

Рис. 8.2. Расположение сегментов процессов в памяти компьютера

Некоторые сегменты , описывающие адресное пространство процесса, показаны на рис. 8.2. Более подробная информация о типах сегментов имеется в лекции 10.

Большинство современных ОС поддерживают сегментную организацию памяти. В некоторых архитектурах (Intel, например) сегментация поддерживается оборудованием.

Адреса, к которым обращается процесс, таким образом, отличаются от адресов, реально существующих в оперативной памяти . В каждом конкретном случае используемые программой адреса могут быть представлены различными способами. Например, адреса в исходных текстах обычно символические. Компилятор связывает эти символические адреса с перемещаемыми адресами (такими, как n байт от начала модуля). Подобный адрес, сгенерированный программой, обычно называют логическим (в системах с виртуальной памятью он часто называется виртуальным) адресом. Совокупность всех логических адресов называется логическим (виртуальным) адресным пространством .

Связывание адресов

Итак логические и физические адресные пространства ни по организации, ни по размеру не соответствуют друг другу. Максимальный размер логического адресного пространства обычно определяется разрядностью процессора (например, 2 32 ) и в современных системах значительно превышает размер физического адресного пространства . Следовательно, процессор и ОС должны быть способны отобразить ссылки в коде программы в реальные физические адреса, соответствующие текущему расположению программы в основной памяти . Такое отображение адресов называют трансляцией (привязкой) адреса или связыванием адресов (см. рис. 8.3).

Связывание логического адреса, порожденного оператором программы, с физическим должно быть осуществлено до начала выполнения оператора или в момент его выполнения. Таким образом, привязка инструкций и данных к памяти в принципе может быть сделана на следующих шагах [Silberschatz, 2002].

За последнюю неделю дважды объяснял людям как организована работа с памятью в х86, с целью чтобы не объяснять в третий раз написал эту статью.

И так, чтобы понять организацию памяти от вас потребуется знания некоторых базовых понятий, таких как регистры, стек и тд. Я по ходу попробую объяснить и это на пальцах, но очень кратко потому что это не тема для этой статьи. Итак начнем.

Как известно программист, когда пишет программы работает не с физическим адресом, а только с логическим. И то если он программирует на ассемблере. В том же Си ячейки памяти от программиста уже скрыты указателями, для его же удобства, но если грубо говорить указатель это другое представление логического адреса памяти, а в Java и указателей нет, совсем плохой язык. Однако грамотному программисту не помешают знания о том как организована память хотя бы на общем уровне. Меня вообще очень огорчают программисты, которые не знают как работает машина, обычно это программисты Java и прочие php-парни, с квалификацией ниже плинтуса.

Так ладно, хватит о печальном, переходим к делу.
Рассмотрим адресное пространство программного режима 32 битного процессора (для 64 бит все по аналогии)
Адресное пространство этого режима будет состоять из 2^32 ячеек памяти пронумерованных от 0 и до 2^32-1.
Программист работает с этой памятью, если ему нужно определить переменную, он просто говорит ячейка памяти с адресом таким-то будет содержать такой-то тип данных, при этом сам програмист может и не знать какой номер у этой ячейки он просто напишет что-то вроде:
int data = 10;
компьютер поймет это так: нужно взять какую-то ячейку с номером стопицот и поместить в нее цело число 10. При том про адрес ячейки 18894 вы и не узнаете, он от вас будет скрыт.

Все бы хорошо, но возникает вопрос, а как компьютер ищет эту ячейку памяти, ведь память у нас может быть разная:
3 уровень кэша
2 уровень кэша
1 уровень кэша
основная память
жесткий диск

Это все разные памяти, но компьютер легко находит в какой из них лежит наша переменная int data.
Этот вопрос решается операционной системой совместно с процессором.
Вся дальнейшая статья будет посвящена разбору этого метода.

Архитектура х86 поддерживает стек.

Стек это непрерывная область оперативной памяти организованная по принципу стопки тарелок, вы не можете брать тарелки из середины стопки, можете только брать верхнюю и класть тарелку вы тоже можете только на верх стопки.
В процессоре для работы со стеком организованны специальные машинные коды, ассемблерные мнемоники которых выглядят так:

push operand
помещает операнд в стек

pop operand
изымает из вершины стека значение и помещает его в свой операнд

Стек в памяти растет сверху вниз, это значит что при добавлении значения в него адрес вершины стека уменьшается, а когда вы извлекаете из него, то адрес вершины стека увеличивается.

Теперь кратко рассмотрим что такое регистры.
Это ячейки памяти в самом процессоре. Это самый быстрый и самый дорогой тип памяти, когда процессор совершает какие-то операции со значением или с памятью, он берет эти значения непосредственно из регистров.
В процессоре есть несколько наборов логик, каждая из которых имеет свои машинные коды и свои наборы регистров.
Basic program registers (Основные программные регистры) Эти регистры используются всеми программами с их помощью выполняется обработка целочисленных данных.
Floating Point Unit registers (FPU) Эти регистры работают с данными представленными в формате с плавающей точкой.
Еще есть MMX и XMM registers эти регистры используются тогда, когда вам надо выполнить одну инструкцию над большим количеством операндов.

Рассмотрим подробнее основные программные регистры. К ним относятся восемь 32 битных регистров общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP
Для того чтобы поместить в регистр данные, или для того чтобы изъять из регистра в ячейку памяти данные используется команда mov:

mov eax, 10
загружает число 10 в регистр eax.

mov data, ebx
копирует число, содержащееся в регистре ebx в ячейку памяти data.

Регистр ESP содержит адрес вершины стека.
Кроме регистров общего назначения, к основным программным регистрам относят шесть 16битных сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS, GS, EFLAGS, EIP
EFLAGS показывает биты, так называемые флаги, которые отражают состояние процессора или характеризуют ход выполнения предыдущих команд.
В регистре EIP содержится адрес следующей команды, которая будет выполнятся процессором.
Я не буду расписывать регистры FPU, так как они нам не понадобятся. Итак наше небольшое отступление про регистры и стек закончилось переходим обратно к организации памяти.

Как вы помните целью статьи является рассказ про преобразование логической памяти в физическую, на самом деле есть еще промежуточный этап и полная цепочка выглядит так:

Логический адрес --> Линейный (виртуальный)--> Физический

Все линейное адресное пространство разбито на сегменты. Адресное пространство каждого процесса имеет по крайней мере три сегмента:
Сегмент кода. (содержит команды из нашей программы, которые будут исполнятся.)
Сегмент данных. (Содержит данные, то бишь переменные)
Сегмент стека, про который я писал выше.

Линейный адрес вычисляется по формуле:

линейный адрес=Базовый адрес сегмента(на картинке это начало сегмента) + смещение

Сегмент кода

Базовый адрес сегмента кода берется из регистра CS. Значение смещения для сегмента кода берется из регистра EIP, в котором хранится адрес инструкции, после исполнения которой, значение EIP увеличивается на размер этой команды. Если команда занимает 4 байта, то значение EIP увеличивается на 4 байта и будет указывать уже на следующую инструкцию. Все это делается автоматически без участия программиста.
Сегментов кода может быть несколько в нашей памяти. В нашем случае он один.

Сегмент данных

Данные загружаются в регистры DS, ES, FS, GS
Это значит что сегментов данных может быть до 4х. На нашей картинке он один.
Смещение внутри сегмента данных задается как операнд команды. По дефолту используется сегмент на который указывает регистр DS. Для того чтобы войти в другой сегмент надо это непосредственно указать в команде префикса замены сегмента.

Сегмент стека

Используемый сегмент стека задается значением регистра SS.
Смещение внутри этого сегмента представлено регистром ESP, который указывает на вершину стека, как вы помните.
Сегменты в памяти могут друг друга перекрывать, мало того базовый адрес всех сегментов может совпадать например в нуле. Такой вырожденный случай называется линейным представлением памяти. В современных системах, память как правило так организована.

Теперь рассмотрим определение базовых адресов сегмента, я писал что они содержаться в регистрах SS, DS, CS, но это не совсем так, в них содержится некий 16 битный селектор, который указывает на некий дескриптор сегментов, в котором уже хранится необходимый адрес.

Так выглядит селектор, в тринадцати его битах содержится индекс дескриптора в таблице дескрипторов. Не хитро посчитать будет что 2^13 = 8192 это максимальное количество дескрипторов в таблице.
Вообще дескрипторных таблиц бывает два вида GDT и LDT Первая называется глобальная таблица дескрипторов, она в системе всегда только одна, ее начальный адрес, точнее адрес ее нулевого дескриптора хранится в 48 битном системном регистре GDTR. И с момента старта системы не меняется и в свопе не принимает участия.
А вот значения дескрипторов могут меняться. Если в селекторе бит TI равен нулю, тогда процессор просто идет в GDT ищет по индексу нужный дескриптор с помощью которого осуществляет доступ к этому сегменту.
Пока все просто было, но если TI равен 1 тогда это означает что использоваться будет LDT. Таблиц этих много, но использоваться в данный момент будет та селектор которой загружен в системный регистр LDTR, который в отличии от GDTR может меняться.
Индекс селектора указывает на дескриптор, который указывает уже не на базовый адрес сегмента, а на память в котором хранится локальная таблица дескрипторов, точнее ее нулевой элемент. Ну а дальше все так же как и с GDT. Таким образом во время работы локальные таблицы могут создаваться и уничтожаться по мере необходимости. LDT не могут содержать дескрипторы на другие LDT.
Итак мы знаем как процессор добирается до дескриптора, а что содержится в этом дескрипторе посмотрим на картинке:
Дескрипторы состоит из 8 байт.
Биты с 15-39 и 56-63 содержат линейный базовый адрес описываемым данным дескриптором сегмента. Напомню нашу формулу для нахождения линейного адреса:

линейный адрес = базовый адрес + смещение

[база; база+предел)

В зависимости от 55 G-бита(гранулярити), предел может измеряться в байтах при нулевом значении бита и тогда максимальный предел составит 1 мб, или в значении 1, предел измеряется страницами, каждая из которых равна 4кб. и максимальный размер такого сегмента будет 4Гб.
Для сегмента стека предел будет в интервале:

(база+предел; вершина]

Кстати интересно почему база и предел так рвано располагаются в дескрипторе. Дело в том что процессоры х86 развивались эволюционно и во времена 286х дескрипторы были по 8 бит всего, при этом старшие 2 байта были зарезервированы, ну а в последующих моделях процессоров с увеличением разрядности дескрипторы тоже выросли, но для сохранения обратной совместимости пришлось оставить структуру как есть.
Значение адреса «вершина» зависит от 54го D бита, если он равен 0, тогда вершина равна 0xFFF(64кб-1), если D бит равен 1, тогда вершина равна 0xFFFFFFFF (4Гб-1)
С 41-43 бит кодируется тип сегмента.
000 — сегмент данных, только считывание
001 — сегмент данных, считывание и запись
010 — сегмент стека, только считывание
011 — сегмент стека, считывание и запись
100 — сегмент кода, только выполнение
101- сегмент кода, считывание и выполнение
110 — подчиненный сегмент кода, только выполнение
111 — подчиненный сегмент кода, только выполнение и считывание

44 S бит если равен 1 тогда дескриптор описывает реальный сегмент оперативной памяти, иначе значение S бита равно 0.

Самым важным битом является 47-й P бит присутствия. Если бит равен 1 значит, что сегмент или локальная таблица дескрипторов загружена в оперативку, если этот бит равен 0, тогда это означает что данного сегмента в оперативке нет, он находится на жестком диске, случается прерывание, особый случай работы процессора запускается обработчик особого случая, который загружает нужный сегмент с жесткого диска в память, если P бит равен 0, тогда все поля дескриптора теряют смысл, и становятся свободными для сохранения в них служебной информации. После завершения работы обработчика, P бит устанавливается в значение 1, и производится повторное обращение к дескриптору, сегмент которого находится уже в памяти.

На этом заканчивается преобразование логического адреса в линейный, и я думаю на этом стоит прерваться. В следующий раз я расскажу вторую часть преобразования из линейного в физический.
А так же думаю стоит немного поговорить о передачи аргументов функции, и о размещении переменных в памяти, чтобы была какая-то связь с реальностью, потому размещение переменных в памяти это уже непосредственно, то с чем вам приходится сталкиваться в работе, а не просто какие-то теоретические измышления для системного программиста. Но без понимания, как устроена память невозможно понять как эти самые переменные хранятся в памяти.
В общем надеюсь было интересно и до новых встреч.

Необходимо отметить, что все распространенные операционные системы, если для работы нужно больше памяти, чем физически присутствует в компьютере, не прекращают работу, а сбрасывают неиспользуемое в данный момент содержимое памяти в дисковый файл (называемый свопом - swap) и затем по мере необходимости « перегоняют » данные между ОП и свопом. Это гораздо медленнее, чем доступ системы к самой ОП. Поэтому от количества оперативной памяти напрямую зависит скорость системы.

Команды, исполняемые ЭВМ при выполнении программы, равно как и числовые и символьные операнды, хранятся в памяти компьютера. Память состоит из миллионов ячеек, в каждой из которых содержится один бит информации (значения 0 или 1). Биты редко обрабатываются поодиночке, а, как правило, группами фиксированного размера. Для этого память организуется таким образом, что группы по n бит могут записываться и считывается за одну операцию. Группа n бит называется словом, а значение n - длиной слова. Схематически память компьютера можно представить в виде массива слов.

Обычно длина машинного слова компьютеров составляет от 16 до 64 бит. Если длина слова равна 32 битам, в одном слове может храниться 32- разрядное число в дополнительном коде или четыре символа ASCII, занимающих 8 бит каждый. Восемь идущих подряд битов являются байтом. Для представления машинной команды требуется одно или несколько слов.

Отдельные биты, как правило, не адресуются и чаще всего адреса назначаются байтам памяти. Память, в которой каждый байт имеет отдельный адрес, называется памятью с байтовой адресацией. Последовательные байты имеют адреса 0.1, 2 и так далее Таким образом, при использовании слов длиной 32 бита последовательные слова имеют адреса 1.4, 8, . и каждое слово состоит из 4 байт.

Прямой и обратный порядок байтов

Существует два способа адресации байтов в словах:

в прямом порядке. Прямым порядком байтов ( little-endian) называется система адресации, при которой байты адресуются справа налево, так что наименьший адрес имеет самый младший байт слова (расположенный с правого края);

в обратном порядке. Обратным порядком байтов ( big-endian) называется система адресации, при которой байты адресуются слева направо, так что самый старший байт слова (расположенный с левого края) имеет наименьший адрес.

В ПЭВМ на основе 80 x 86 используется прямой порядок, а в ПЭВМ на основе Motorola 68000 - обратный. В обеих этих системах адреса байтов 0.4, 8 и так далее, применяются в качестве адресов последовательных слов памяти в операциях чтения и записи слов.

Расположение слов в памяти

В случае 32- разрядных слов их естественные границы располагаются по адресам 0.4, 8 и так далее При этом считается, что слова выровнены по адресам в памяти. Если говорить в общем, слова считаются выровненными в памяти в том случае, если адрес начала каждого слова кратен количеству байтов в нем. По практическим причинам, связанным с манипулированием Двоично-кодированными адресами, количество байтов в слове обычно является степенью двойки. Поэтому, если длина слова равна 16 бит ( 2 байтам), выровненные слова начинаются по байтовым адресам 0.2, 4, . а если она равна 64 бит ( 23, то есть 8 байтам), то выровненные слова начинаются по байтовым адресам 0.8, 16, .

Не существует причины, по которой слова не могли бы начинаться с произвольных адресов. Такие слова называются не выровненными. Как правило, слова выравниваются по адресам памяти, но иногда этот принцип нарушается.

Обычно число занимает целое слово, поэтому для того чтобы обратиться к нему, нужно указать адрес слова, по которому оно хранится. Точно так же доступ к отдельно хранящемуся в памяти символу осуществляется по адресу содержащего его байта.

Для доступа к памяти необходимы имена или адреса, определяющие расположение данных в памяти. В качестве адресов традиционно используются числа из диапазона от 0 до 2k- 1 со значением к, достаточным для адресации всей памяти компьютера. Все 2k адресов составляют адресное пространство компьютера. Следовательно, память состоит из 2k адресуемых элементов. Например, использование 24- разрядных (как в процессоре 80286) адресов позволяет адресовать 224 (16 777 216) элементов памяти. Обычно это количество адресуемых элементов обозначается как 16 Мбайт ( 1 Мбайт = 220 = 1 048 576 байт, адресное пространство 8086 и 80186). Поскольку у процессоров 80386.80486 Pentium и их аналогов 32- разрядные адреса, им соответствует адресное пространство в 232 байт, или 4 Гбайт.

Адресное пространство ЭВМ графически может быть изображено прямоугольником, одна из сторон которого представляет разрядность адресуемой ячейки (слова) процессора, а другая сторона - весь диапазон доступных адресов для этого же процессора. Диапазон доступных адресов процессора определяется разрядностью шины адреса системной шины. При этом минимальный номер ячейки памяти (адрес) будет равен 0, а максимальный определяется из формулы M = 2n - 1.

Для шестнадцатиразрядной шины это будет 65 535 (64 К).

Иерархическая организация памяти

Компромиссом между производительностью и объемами памяти является решение использовать иерархию запоминающих устройств, то есть применять иерархическую модель памяти.

Применение иерархических систем памяти оправдывает себя вследствие двух важных факторов - принципа локальности обращений и низкого (экономически выгодного) соотношения стоимость/производительность. Принцип локальности обращений состоит в том, что большинство программ обычно не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а в каждый момент времени оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени взаимодействуют только два близлежащих уровня. Минимальная единица информации, которая может присутствовать либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком или строкой.

Успешное или не успешное обращение к более высокому уровню называют соответственно попаданием ( hit) или промахом ( miss). Попадание - есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне.

Доля попаданий ( hit r а t е) - доля обращений к данным, найденным на более высоком уровне. Доля промахов ( miss rate) - это доля обращений к данным, которые не найдены на более высоком уровне.

Время обращения при попадании ( hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом.

Потери на промах ( miss ре n а lt у) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор).

Потери на промах далее включают в себя два компонента:

время доступа ( access time) - время обращения к первому слову блока при промахе;

время пересылки ( transfer time) - дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, а время пересылки - с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Кэш-память или cache memory - компонент иерархической памяти - представляет собой буферное ЗУ, работающее со скоростью, обеспечивающей функционирование ЦП без режимов ожидания.

Необходимость создания кэш-памяти возникла потому, что появились процессоры с высоким быстродействием. Между тем для выполнения сложных прикладных процессов нужна большая память. Использование же большой сверхскоростной памяти экономически невыгодно. Поэтому между ОП и процессором стали устанавливать меньшую по размерам высокоскоростную буферную память, или кэш-память. В дальнейшем она была разделена на два уровня - встроенная в процессор ( on-die) и внешняя ( on-motherboard).

Иерархия оперативной памяти

Стратегии управления иерархической памятью

При построении систем с иерархической памятью целью является получение максимальной производительности подсистемы памяти при ее минимальной стоимости. Эффективность той или иной системы кэш-памяти зависит от стратегии управления памятью. Стратегия управления памятью включает: метод отображения основной памяти в кэше; алгоритм взаимодействия между медленной основной и быстрой кэш-памятью; стратегии замещения информации в кэше.

Отображение памяти на кэш

Существует три основных способа размещения блоков (строк) основной памяти в кэше:

кэш-память с прямым отображением ( direct-mapped cache);

полностью ассоциативная кэш-память ( fully associative cache).

частично ассоциативная (или множественно ассоциативная, partial associative, set-associative cache) кэш-память;

Память с прямым отображением. В этом случае каждый блок основной памяти имеет только одно фиксированное место, на котором он может появиться в кэш-памяти. Все блоки основной памяти, имеющие одинаковые младшие разряды в своем адресе, попадают в один блок кэш-памяти. При таком подходе справедливо соотношение:

( Адрес блока кэш-памяти) = ( Адрес блока основной памяти) mod ( Число блоков в кэш-памяти).

Этот тип памяти наиболее прост, но и наименее эффективен, так как данные из разных областей памяти могут конфликтовать из-за единственной строки кэша, где они только и могут быть размещены.

Полностью ассоциативная памят

Может отображать содержимое любой области памяти в любую область кэша, но при этом крайне сложна в схемотехнике.

Является наиболее распространенным в данный момент среди процессорных архитектур. Характеризуется тем или иным количеством n « каналов » ( степенью ассоциативности, « п- way») и может отображать содержимое данной строки памяти на каждую из n своих строк. Этот вариант является разумным компромиссом между полностью ассоциативным и кэшем « прямого отображения ».

В современных процессорах, как правило, используется либо кэш-память с прямым отображением, либо двух- (четырех-) канальная множественно ассоциативная кэш-память. Например, в архитектурах К 7 и К 8 применяется 16- канальный частично-ассоциативный кэш L2.

Стратегия замещения информации в кэше определяет блок, подлежащий замещению при возникновении промаха. Простота при использовании кэша с прямым отображением заключается в том, что аппаратные решения здесь наиболее простые: легко реализуется сама аппаратура, легко происходит замещение данных. При замещении просто нечего выбирать - на попадание проверяется только один блок и только этот блок может быть замещен.

При полностью или частично ассоциативной организации кэш-памяти имеются несколько блоков, из которых надо выбрать кандидата в случае промаха. Как правило, для замещения блоков применяются две основные стратегии:

случайная ( Random) - блоки-кандидаты выбираются случайно (равномерное распределение). В некоторых системах используют псевдослучайный алгоритм замещения;

замещается тот блок, который не использовался дольше всех ( LRU - Least-Recently Used). В этом случае чтобы уменьшить вероятность удаления информации, которая скоро может потребоваться, все обращения к блокам фиксируются.

Достоинство случайного способа заключается в том, что его проще реализовать в аппаратуре. Когда количество блоков увеличивается, алгоритм LRU становится все более дорогим и часто только приближенным.

Алгоритмы обмена с кэш-памятью (свопинга)

включают следующие разновидности:

· алгоритм сквозной записи ( Write Through) или сквозного накопления ( Store Through);

· алгоритм простого свопинга ( Simple Swapping) или обратной записи ( Write Back);

· алгоритм свопинга с флагами ( Flag Swapping) или обратной записи в конфликтных ситуациях с флагами ( CUX);

· алгоритм регистрового свопинга с флагами ( FRS).

Алгоритм сквозной записи

Самый простой алгоритм свопинга. Каждый раз при появлении запроса на запись по некоторому адресу обновляется содержимое области по этому адресу как в быстрой, так и в основной памяти, даже если копия содержимого по этому адресу находится в быстром буфере. Такое постоянное обновление содержимого основной памяти, как и буфера, при каждом запросе на запись позволяет постоянно поддерживать информацию, находящуюся в основной памяти, в обновленном состоянии.

Поэтому, когда возникает запрос на запись по адресу, относящемуся к области, содержимое которой не находится в данный момент в быстром буфере, новая информация записывается просто на место блока, которое предполагается переслать в основную память (без необходимости пересылки этого слова в основную память), так как в основной памяти уже находится его достоверная копия.

Алгоритм простого свопинга

Обращения к основной памяти имеют место в тех случаях, когда в быстром буфере не обнаруживается нужное слово. Эта схема свопинга повышает производительность системы памяти, так как в ней обращения к основной памяти не происходят при каждом запросе на запись, что имеет место при использовании алгоритма сквозной записи. Однако в связи с тем, что содержимое основной памяти не поддерживается в постоянно обновленном состоянии, если необходимого слова в быстром буфере не обнаруживается, из буфера в основную память надо возвратить какое-либо устаревшее слово, чтобы освободить место для нового необходимого слова. Поэтому из буфера в основную память сначала пересылается какое-то слово, место которого занимает в буфере нужное слово. Таким образом, происходят две пересылки между быстрым буфером и основной памятью.

Алгоритм свопинга с флагами

Данный алгоритм является улучшением алгоритма простого свопинга. В алгоритме простого свопинга, когда в кэш-памяти не обнаруживается нужное слово, происходит два обращения к основной памяти - запись удаляемого значения из кэша и чтение нового значения в кэш. Если слово с того момента, как оно попало в буфер из основной памяти, не подвергалось изменениям, то есть по его адресу не производилась запись (оно использовалось только для чтения), то нет необходимости пересылать его обратно в основную память, потому что в ней и так имеется достоверная его копия; это обстоятельство позволяет в ряде случаев обойтись без обращений к основной памяти. Если, однако, слово подвергалось изменениям с тех пор, когда его копия была в последний раз записана обратно в основную память, то приходится перемещать его в основную память. Отслеживать изменения слова можно, пометив слово (блок) дополнительным флаг-битом. Изменяя значение флаг-бита при изменении слова, можно сформировать информацию о состоянии слова. Пересылать в основную память необходимо лишь те слова, флаги которых оказываются в установленном состоянии.

Алгоритм регистрового свопинга с флагами

Повышение эффективности алгоритма свопинга с флагами возможно за счет уменьшения эффективного времени цикла, что можно получить при введении регистра (регистров) временного хранения между кэш-памятью и основной памятью. Теперь, если данные должны быть переданы из быстрого буфера в основную память, они сначала пересылаются в регистр (регистры) временного хранения; новое слово сразу же пересылается в буфер из основной памяти, а уже потом слово, временно хранившееся в регистре, записывается в основную память. Действия в ЦП начинают опять выполняться, как только для этого возникает возможность. Алгоритм обеспечивает совмещение операций записи в основную память с обычными операциями над буфером, что обеспечивает еще большее повышение производительности.

Эксклюзивным называется кэш, в котором данные, хранящиеся в кэш-памяти первого уровня, не обязательно должны быть продублированы в кэшах нижележащих уровней. Инклюзивный кэш - когда любая информация, хранящаяся в кэшах высших уровней, дублируется в кэш-памяти.

Содержание

Типы адресов памяти

Физические адреса

Память цифрового компьютера (или основная память) состоит из множества ячеек памяти, каждая из которых имеет физический адрес. [Источник 1] - код, который центральный процессор (или другое устройство) может использовать для доступа к ней. Как правило, только системное программное обеспечение, то есть BIOS [Источник 2] , операционные системы, и некоторые специализированные вспомогательные программы (например, тестеры памяти), обращаются к физической памяти с использованием операторов машинного кода и регистров процессора, Инструктируя CPU направлять аппаратное устройство, называемое контроллером памяти, использовать шину памяти или системную шину или отдельные управляющие, адресные и информационные шины для выполнения команд программы. Шина контроллеров памяти состоит из нескольких параллельных линий, каждая из которых представлена двоичной цифрой (бит). Ширина шины и, следовательно, количество адресуемых единиц хранения и количество битов в каждой единице варьируется среди компьютеров. Физический адрес - это конечный результат всех преобразований других типов адресов, перечисленных далее. На нём кончается работа внутри центрального процессора по преобразованию адресов.

Эффективные адреса

Эффективный адрес — это начало пути вычисления физического адреса. Он задаётся в аргументах индивидуальной машинной инструкции, и вычисляется из значений регистров, смещений и масштабирующих коэффициентов, заданных в ней явно или неявно.

Логические адреса

Без знания номера и параметров сегмента, в котором указан эффективный адрес, последний бесполезен. Сам сегмент выбирается ещё одним числом, именуемым селектором. Пара чисел, записываемая как selector:offset, получила имя логический адрес. Так как активные селекторы хранятся в группе специальных регистров, чаще всего вместо первого числа в паре записывается имя регистра, например, ds:0x11223344 [Источник 3] . В старых компьютерах логические и физические адреса были согласованы, но с момента появления виртуальной памяти у большинства прикладных программ нет информации о физических адресах. Скорее, они адресуют логические адреса [Источник 4] или виртуальные адреса, используя блок управления памятью компьютера и отображение памяти операционной системы.

Линейные адреса

Эффективный адрес — это смещение от начала сегмента — его базы. Если сложить базу и эффективный адрес, то получим число, называемое линейным адресом:

lin_addr = segment.base + eff_addr

Преобразование логический → линейный не всегда может быть успешным, так как при его исполнении проверяется несколько условий на свойства сегмента, записанных в полях его дескриптора. Например, проверяется выход за границы сегмента и права доступа.

Виртуальные адреса

В литературе и в документации других архитектур встречается ещё один термин — виртуальный адрес. Он не используется в документации Intel на IA-32, однако встречается, например, в описании Intel® Itanium, в котором сегментация не используется. Можно смело считать, что для IA-32 виртуальный == линейный. В советской литературе по вычислительной технике этот вид адресов также именовался математическим.

Единица измерения адреса

Некоторые старые компьютеры (десятичные компьютеры) были десятизначными с цифровой адресацией. Например, каждый адрес в магнитной памяти IBM 1620 идентифицировал одну шестиразрядную двоично-кодированную десятичную цифру, состоящую из бита четности, бита флага и четырех числовых битов. В 1620 использовались пятизначные десятичные адреса, поэтому в теории максимально возможный адрес был 99,999. На практике CPU поддерживал 20000 ячеек памяти и мог добавить до двух дополнительных модулей внешней памяти, каждый из которых поддерживает 20 000 адресов, в общей сложности 60 000 (00000-59999).

Размер слова в зависимости от размера адреса

Размер слова является характеристикой для данной архитектуры компьютера. Он обозначает количество цифр, которое процессор может обрабатывать за один раз. Современные процессоры, включая встроенные системы, обычно имеют размер слова 8, 16, 24, 32 или 64 бита; Большинство современных компьютеров общего назначения используют 32 или 64 бита. В истории же использовалось много различных вариантов, включая 8, 9, 10, 12, 18, 24, 36, 39, 40, 48 и 60 бит.

Очень часто, когда речь идет о размере слова современного компьютера, также оценивается размер адресного пространства на этом компьютере. Например, компьютер, называемый «32-битным», также обычно разрешает 32-разрядные адреса памяти; 32-разрядный компьютер с байтовой адресацией может адресовать 2^32 = 4,294,967,296 байт памяти или 4 гибибайта (GB). Это позволяет эффективно хранить адрес памяти одним словом.

Теоретически современные 64-разрядные компьютеры с байтовой адресацией могут адресовать 2 64 байта, но на практике объем памяти ограничен процессором, контроллером памяти или особенностями печатной платы (например, количеством разъемов физической памяти или количеством паяемой памяти).

Содержание отдельной ячейки памяти

Каждая ячейка памяти на компьютере с хранимой программой хранит двоичное число или десятичное число некоторого типа. Эти числа определяются как данные или как команды, а их использование определяется командами, которые извлекают и взаимодействуют с ними. Некоторые «ранние» программисты сочетали команды и данные в словах как способ сэкономить память: «Манчестер-Марк-1» имел место в своих 40-битных словах для хранения нескольких бит данных - его процессор игнорировал небольшую секцию в середине слова - и это часто использовалось как эксплойт для хранения дополнительных данных. Самовоспроизводящиеся программы, такие как вирусы, иногда рассматривают себя как данные, а иногда как команды. Самовоспроизводящийся код в настоящее время устаревает, поскольку его тестирование и техническое обслуживание непропорционально сложно для экономии нескольких байт, а также он может выдавать неверные результаты из-за предположений компилятора или процессора относительно состояния машины, но все же он иногда используется намеренно, с большой осторожностью.

Адресное пространство в программировании приложений

В современной многозадачной среде процессы приложений обычно имеют в своем адресном пространстве (или пространствах) куски памяти следующих типов:

Машинный код, в том числе:

Собственный код программы;
Совместно используемые библиотеки.

Инициализированные данные;
Неинициализированные (но выделенные) переменные;
Стек для переменных исполняемой программы;
Куча;
Совместно используемая память и отображенные в память файлы.

Некоторые части адресного пространства могут вообще не отображаться.

Схемы адресации

Компьютерная программа может обращаться к адресу, указанному явным образом - в низкоуровневом программировании его обычно называют абсолютным адресом или иногда конкретным адресом, он известен как указатель в языках более высокого уровня. Но программа также может использовать относительный адрес, который указывает местоположение по отношению к другому месту (базовому адресу). Также существует много других способов косвенной адресации.

Модели памяти

Многие программисты предпочитают адресовать память таким образом, чтобы не было различий между пространством кода и пространством данных, а также физической и виртуальной памятью, другими словами, численно идентичные указатели относятся к точно одному и тому же байту ОЗУ.

Однако многие старые компьютеры не поддерживали плоскую модель памяти - в частности, аппараты архитектуры Harvard вынуждали память с командами полностью отделяться от памяти с данными. Многие современные DSP(digital signal processor) (такие как Motorola 56000) имеют три отдельные области хранения - хранение программ, хранение коэффициентов и хранение данных. Некоторые часто используемые команды извлекаются из всех трех областей одновременно - меньшее количество областей хранения (даже если бы были одинаковые общие байты памяти) приводило бы к замедлению выполнения этих команд.

Модели памяти в х86 архитектуре

Старые компьютеры x86 использовали сегментированные адреса модели памяти на основе комбинации двух чисел: сегмента памяти и смещения внутри этого сегмента. Некоторые сегменты неявно трактовались как сегменты кода, предназначенные для команд, сегментов стека или обычных сегментов данных. Хотя использование было разным, сегменты не имели какой-либо защиты памяти. В плоской модели памяти все сегменты (сегментные регистры) обычно устанавливаются в ноль, и только смещения являются переменными.

Память – способность объекта обеспечивать хранение данных.
Все объекты, над которыми выполняются команды, как и сами команды, хранятся в памяти компьютера.

Память состоит из ячеек, в каждой из которых содержится 1 бит информации, принимающий одно из двух значений: 0 или 1. Биты обрабатывают группами фиксированного размера. Для этого группы бит могут записываться и считываться за одну базовую операцию. Группа из 8 бит называется .

Байты последовательно располагаются в памяти компьютера.

1 килобайт (Кбайт) = 2 10 = 1 024 байт
1 мегабайт (Мбайт) = 2 10 Кбайт = 2 20 байт = 1 048 576 байт
1 гигабайт (Гбайт) = 2 10 Мбайт = 2 30 байт = 1 073 741 824 байт

Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельных элементов информации используются идентификаторы , определяющие их расположение в памяти. Каждому идентификатору в соответствие ставится адрес . В качестве адресов используются числа из диапазона от 0 до 2 k -1 со значением k, достаточным для адресации всей памяти компьютера.Все 2 k адресов составляют адресное пространство компьютера .

Способы адресации байтов

Существует прямой и обратный способы адресации байтов.
При обратном способе адресации байты адресуются слева направо, так что самый старший (левый) байт слова имеет наименьший адрес.

Прямым способом называется противоположная система адресации. Компиляторы высокоуровневых языков поддерживают прямой способ адресации.

Объект занимает целое слово. Поэтому для того, чтобы обратиться к нему в памяти, нужно указать адрес, по которому этот объект хранится.

Организация памяти

сегментированную модель
страничную модель
плоскую модель

В сегментированной модели память для программы делится на непрерывные области памяти, называемые сегментами . Программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах.
Сегмент представляет собой независимый, поддерживаемый на аппаратном уровне блок памяти.

Каждая программа в общем случае может состоять из любого количества сегментов, но непосредственный доступ она имеет только к 3 основным сегментам и к 3 дополнительным сегментам, обслуживаемых 6 сегментными регистрами. К основным сегментам относятся:

Сегмент кодов ( .CODE ) – содержит машинные команды для выполнения. Обычно первая выполняемая команда находится в начале этого сегмента, и операционная система передает управление по адресу данного сегмента для выполнения программы. Регистр сегмента кодов ( CS ) адресует данный сегмент.
Сегмент данных ( .DATA ) – содержит определенные данные, константы и рабочие области, необходимые программе. Регистр сегмента данных ( DS ) адресует данный сегмент.
Сегмент стека ( .STACK ). Стек содержит адреса возврата как для программы (для возврата в операционную систему), так и для вызовов подпрограмм (для возврата в главную программу). Регистр сегмента стека ( SS ) адресует данный сегмент. Адрес текущей вершины стека задается регистрами SS:ESP .

Регистры дополнительных сегментов ( ES, FS, GS ), предназначены для специального использования.

Таким образом, для обращения к конкретному физическому адресу ОЗУ необходимо определить адрес начала сегмента и смещение внутри сегмента.
Физический адрес принято записывать парой этих значений, разделенных двоеточием

сегмент : смещение

Плоская модель памяти предполагает, что задача состоит из одного сегмента, который, в свою очередь, разбит на страницы.
Достоинства:

при использовании плоской модели памяти упрощается создание и операционной системы, и систем программирования;
уменьшаются расходы памяти на поддержку системных информационных структур.

В абсолютном большинстве современных 32(64)-разрядных операционных систем (для микропроцессоров Intel) используется плоская модель памяти.

Модели памяти

Директива .MODEL определяет модель памяти, используемую программой. После этой директивы в программе находятся директивы объявления сегментов ( .DATA, .STACK, .CODE, SEGMENT ). Синтаксис задания модели памяти

.MODEL модификатор МодельПамяти СоглашениеОВызовах

Параметр МодельПамяти является обязательным.

Основные модели памяти:

Модель памяти	Адресация кода	Адресация данных	Операци- онная система	Чередование кода и данных
TINY	NEAR	NEAR	MS-DOS	Допустимо
SMALL	NEAR	NEAR	MS-DOS, Windows	Нет
MEDIUM	FAR	NEAR	MS-DOS, Windows	Нет
COMPACT	NEAR	FAR	MS-DOS, Windows	Нет
LARGE	FAR	FAR	MS-DOS, Windows	Нет
HUGE	FAR	FAR	MS-DOS, Windows	Нет
FLAT	NEAR	NEAR	Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista	Допустимо

Модель tiny работает только в 16-разрядных приложениях MS-DOS. В этой модели все данные и код располагаются в одном физическом сегменте. Размер программного файла в этом случае не превышает 64 Кбайт.
Модель small поддерживает один сегмент кода и один сегмент данных. Данные и код при использовании этой модели адресуются как near (ближние).
Модель medium поддерживает несколько сегментов программного кода и один сегмент данных, при этом все ссылки в сегментах программного кода по умолчанию считаются дальними (far), а ссылки в сегменте данных — ближними (near).
Модель compact поддерживает несколько сегментов данных, в которых используется дальняя адресация данных (far), и один сегмент кода с ближней адресацией (near).
Модель large поддерживает несколько сегментов кода и несколько сегментов данных. По умолчанию все ссылки на код и данные считаются дальними (far).
Модель huge практически эквивалентна модели памяти large.

Особого внимания заслуживает модель памяти flat , которая используется только в 32-разрядных операционных системах. В ней данные и код размещены в одном 32-разрядном сегменте. Для использования в программе модели flat перед директивой .model flat следует разместить одну из директив:

Желательно указывать тот тип процессора, который используется в машине, хотя это не является обязательным требованием. Операционная система автоматически инициализирует сегментные регистры при загрузке программы, поэтому модифицировать их нужно только в случае если требуется смешивать в одной программе 16-разрядный и 32-разрядный код. Адресация данных и кода является ближней ( near ), при этом все адреса и указатели являются 32-разрядными.

Параметр модификатор используется для определения типов сегментов и может принимать значения use16 (сегменты выбранной модели используются как 16-битные) или use32 (сегменты выбранной модели используются как 32-битные).

Параметр СоглашениеОВызовах используется для определения способа передачи параметров при вызове процедуры из других языков, в том числе и языков высокого уровня (C++, Pascal). Параметр может принимать следующие значения:

При разработке модулей на ассемблере, которые будут применяться в программах, написанных на языках высокого уровня, обращайте внимание на то, какие соглашения о вызовах поддерживает тот или иной язык. Используются при анализе интерфейса программ на ассемблере с программами на языках высокого уровня.

Читайте также: